基于CRITIC-VIKOR法的云南省水资源承载力综合评价

谭 豪, 脱云飞, 王 倩, 郑 阳, 王 飞, 王昭仪, 刘香凝, 石小兰, 丁明净, 马继敏

(1.西南林业大学 生态与环境学院, 云南 昆明 650224; 2.云南省地质工程勘察有限公司, 云南 昆明 650051)

1 研究背景

水资源是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一,对自然环境、社会环境、生态环境具有重要意义。通过对水资源进行合理评估和对其承载力进行优化研究,可减轻或克服水系统问题给生态环境与经济社会带来的负面影响[1]。

国外关于水资源管理和评价的研究比较广泛,Gittins等[2]将RL-GL(red-loop green-loop)模型应用于水资源管理研究,分析了2017—2018年开普敦(Cape Town)水危机的原因,发现当地水资源几乎完全依赖于单一的、非生态系统形式的基础设施。Hering等[3]在水体、流域、欧洲3个空间尺度上分析了压力源与水资源、水生态状况之间的关系,制定了有效流域管理计划。Naimi Ait-Aoudia等[4]针对阿尔及利亚首都城市阿尔及尔水资源短缺情况,基于水资源承载力的概念评估了阿尔及尔在几种供水条件下人均生活用水的承载能力,并考虑了供给和需求两个方面的决定因素,认为对于淡水资源有限的国家,对水的需求和供应的管理是至关重要的。Wade等[5]采用相对风险模型和贝叶斯网络方法(relative risk model-Bayesian network, BRM-BN)对南非苏卡拉河的水质、流量和其他压力因素进行了风险评估,确定了最低水质和流量要求,以保持生态系统的可持续性发展。Mcclain[6]讨论了气候与农业和水电与生态完整性同水资源利用的关系,以指导非洲未来水资源保护工作。Helbling[7]通过研究近几年低浓度农药在各种环境情景下发生生物降解的过程,提出了开发生物技术对农药污染的水资源进行修复的建议。Wan Mohtar等[8]利用时间和空间风险熵(risk quotient,RQ )对克朗河流域支流的现状进行了准确评估,使用风险矩阵(risk matrix approach, RMA)方法评估了克朗河的健康状况,所开发的风险危害图对河流恢复和重建具有重要作用。Karimov等[9]通过各种水利和管理措施加强对水资源的合理利用。

国内对水资源承载力研究较为深入,研究内容主要包括水资源承载力的定义、内涵以及研究方法等。段春青等[10]认为水资源承载力的定义主要概括为3类,即水资源最大支撑能力、水资源最大支撑规模、水资源最大开发能力。许有鹏[11]用水资源最大开发能力定义水资源承载能力,综合评价了新疆和田河流域的水资源承载能力。

目前,评价水资源承载力的方法有多种,如系统动力学法[12]、模糊综合评价法[13]、主成分析法[14]、TOPSIS法(technique for order preference by similarity to an ideal solution)[15]、CRITIC-VIKOR法[16]等。陈雨晴等[17]应用改进TOPSIS法对甘肃省农村应用水安全进行了评价,可为农村饮用水安全建设提供参考。但TOPSIS法也存在一定不足,它没有考虑与理想解距离的相对重要性,其结果客观性很强且仅得到唯一最优解[18]。CRITIC-VIKOR法可对多个方案进行比较分析,被广泛应用于水资源综合评价领域,其中CRITIC(criteria importance through intercriteria correlation)法是由Diakoulaki提出的一种客观权重赋权法,具有加强权重关联性和变异性的特点。Opricovic于1998年提出了多准则妥协解排序法(in Serbian: Visekriterijumska Optimizacija I Kompromisno Resenje, VIKOR),它通过考虑群体效益值和个体遗憾值并加入主观偏好,得到带优先级折中解,可有效解决TOPSIS法接近理想解的解并不是最优解的问题。VIKOR法在农业[19]和水资源领域的研究中均有广泛的应用,如赵文举等[20]应用VIKOR法解决了灌溉排水项目方案选择的多属性决策难题;杨亚锋等[21]通过构建可变勾股模糊VIKOR法多准则决策模型,对水资源系统的韧性进行了评价和调控分析。

本文通过CRITIC-VIKOR法对2004—2018年云南省水资源承载力和2018年云南省各地级市(自治州)水资源承载力进行综合评价,分析云南省水资源承载能力状况及改进方向,对于实现云南省生态环境与经济社会协调发展具有重要的现实意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

云南省位于中国西南地区,介于21°08′N～29°15′N、97°31′E～106°11′E之间,与四川省、广西省、贵州省毗邻。云南省国土总面积为39.41×104km2,截止2021年,全省下辖8个地级市、8个自治州,云南省行政区划图见图1。

2021年末云南省常住人口4 690万,全年GDP产值为2.715×1012元,同比增长7.3%,其中农业产值为3 441.47×108元,工业增加值为6 555.76×108元,第一、第二、第三产业之比为14.3∶35.3∶50.4。山区和坝区分别占全省国土面积的94%和6%,坝区集中了全省2/3的人口和1/3的耕地,但水资源量只有全省总量的5%。云南省属于亚热带高原季风型气候,干湿季节分明,雨季为5—10月,集中了全年85%的降水量,旱季为11月—次年4月,降水量占全年的15%,全省降水在季节上和地域上分配不均匀[22],给水资源开发利用带来极大挑战。

2.2 数据来源

本文采用数据来源于2004—2018年云南省统计年鉴、水资源公报和环境状况公报等。

2.3 研究方法

2.3.1 云南省水资源承载力评价指标体系构建 崔岩等[23]认为区域水资源承载力是在可持续发展原则下,从当前至以后水资源开发利用对生态环境、经济社会的最大支撑能力;王友贞等[24]从系统关系分析认为,区域水资源承载力综合评价指标体系的构建应从水资源、社会、经济、生态环境等方面入手。因此,本研究将水资源承载力评价指标体系的构建分为目标层、准则层和指标层3个层次:目标层为水资源承载力;准则层为区域水资源承载力评价主要因素,细分为3个子系统,即水资源子系统、生态环境子系统和经济社会子系统;指标层为各准则层的具体体现,是整个综合评价指标体系的基础[25]。水资源承载力评价指标体系种类繁多且复杂[26],基于云南省水资源现状,文本选取20个指标构成指标层对云南省水资源承载力进行测算评价,根据各评价指标的效应,将评价指标分为成本型指标和效益型指标两类。云南省水资源承载力综合评价指标体系见表1(表中“+”表示效益型指标,“-”表示成本型指标)。

表1 云南省水资源承载力综合评价指标体系

2.3.2 云南省各市(州)水资源承载力评价指标体系构建 在已构建的云南省水资源承载力综合评价指标体系的基础上,考虑到指标的可获得性以及当地水资源状况,各市(州)水资源承载力评价指标体系的构成分别从水资源、生态环境、经济社会子系统中选取12个指标。各市(州)水资源承载力评价指标体系见表2。

2.3.3 CRITIC-VIKOR法测算水资源承载力 VIKOR法为一种多属性决策方法,首先分析正理想解和负理想解,再计算各备选方案折中解,根据理想方案对备选方案进行排序比选。Yu等[27]对海底管道的风险评估和Liang等[28]对共享单车的服务评价中,验证了VIKOR法在方案比选、多属性决策等问题上更加合理有效。CRITIC-VIKOR法主要按照标准化数据、确定权重、确定理想解、确定群体效益值和个体遗憾值以及确定利益比率5个步骤依次对数据进行处理。

(1)数据标准化处理。以VIKOR法标准化公式对各指标原始数据进行无量纲处理,标准化公式如下:

①效益型指标:

(1)

②成本型指标:

(2)

式中:bij为第i组中第j个指标的原数据;Aij为第i组中第j个指标标准化的数据。

(2)CRITIC法确定权重。CRITIC法是以指标间对比强度和冲突性为基础确定客观权重的,兼顾了权重的关联性和变异性[29],采用平均差改进CRITIC法能够客观、全面地提高权重的准确性。权重计算公式如下:

(3)

(4)

式中:Fj为第j个指标的信息量;Cdj为第j个指标的平均差;Qij为第i个指标与第j个指标之间的相关系数;wj为第j个指标的权重。

(3)确定理想解。正理想解是最大化效益型指标,负理想解是最大化成本型指标。为使评价结果更稳定,理想解采用绝对值方法计算。计算公式如下:

(5)

(6)

(4)确定群体效益值和个体遗憾值。群体效益值反映决策者对事物的主观看法和倾向,个体遗憾值反映决策者误判所造成的损失。VIKOR法通常采用正理想解,但负理想解也具有特有信息[30],正理想解与负理想解有很大关系。本文以正理想解和负理想解为依据,计算群体效益值和个体遗憾值,计算方法见公式(7)～(12)。

①以正理想解为参照:

(7)

(8)

②以负理想解为参照:

(9)

(10)

③群体效益值和个体遗憾值:

(11)

(12)

(5)确定利益比率。通过群体效益值和个体遗憾值计算利益比率,VIKOR法中运用决策机制系数实现群体效益最大化和个体遗憾最小化。决策机制系数y越大,则越倾向于最大群体效益,而不倾向于个体遗憾[31],y>0.5表示决策者采用大多数人的观点,y<0.5表示反对情况,为了同时最大化群体效用值和最小化个体遗憾值,本文决策机制系数取y=0.5[32]。以利益比率作为水资源承载力评价值,利益比率数值越小,表明水资源承载力越大。利益比率计算公式如下:

(13)

式中:Ri为利益比率;y为决策机制系数。

3 结果与分析

3.1 评价指标权重

应用VIKOR法对各指标原始数据进行整理和计算后,以改进平均差CRITIC法分别计算云南省及各市(州)水资源承载力评各价指标权重,计算结果分别见表3和4。

表3 云南省水资源承载力各评价指标权重

由表3可知,云南省水资源承载力评价指标权重前4位分别为人口密度X17、化学需氧量排放量X10、废水排放总量X9、水资源开发利用率X3。由表4可知,云南省各市(州)水资源承载力评价指标权重大于0.08的为产水模数Y1、人均水资源量Y2、其他水源供水量占比Y3、水功能区水质达标率Y4、水资源开发利用率Y5、人均COD排放量Y7、万元工业增加值用水量Y12。

表4 各市(州)水资源承载力各评价指标权重

3.2 2004—2018年云南省水资源承载力

图2为2004—2018年云南省水资源承载力评价结果。由图2可以看出,研究时段内云南省综合水资源承载力的变化大致可以分为3阶段:第1阶段为2004—2010年,该阶段末年利益比率相比第1年减幅达62.2%,2005年以后云南省依靠资源优势发展重工业,产业结构较为单一,水资源承载力略有下降,随后政府部门逐渐意识到生态建设的重要性,同时也加大了产业结构调整力度。云南省水土流失治理面积、生态用水比例、城市污水处理率、第三产业占GDP比重分别由2005年的3 983.23 hm2、0.59%、59.30%、35.20%增加到2010年的5 555.64 hm2、2.63%、93.40%、40.04%,水资源承载力大幅度提升,但2008年基础设施建设不能满足环境需要,造成2008—2009年水资源承载力有所下降;第2阶段为2010—2011年,利益比率大幅度上升,因2010年云南省遭受百年一遇严重旱灾,年平均降水量由1 185.1 mm减少至985.2 mm,水资源开发利用率达到6.70%,维持高水平开发利用,致使水资源承载力大幅度降低;第3阶段为2011—2018年,水资源承载力呈上升趋势,该阶段云南省在发展经济的同时,不断加强生态保护,在生态建设和产业结构调整上取得了优异成绩,森林覆盖率达到55.04%,万元国内生产总值用水量从165 m3减少到87 m3,第三产业占GDP比重达到47.10%。

图2 2004—2018年云南省水资源承载力评价结果

从2004—2018年各子系统的水资源承载力变化来看,水资源子系统利益比率从0.416 2减小至0.100 0,水资源承载力呈波动上升趋势。水资源开发利用率、其他水资源供水占比、年平均降水量对水资源子系统的影响较大,2006—2008年其他水源供水量占比从0.41%增大至1.90%,水资源承载力大幅度增大,而2008—2011年其他水源供水占比、年平均降水量分别从1.90%、1 333.8 mm下降到0.68%、985.2 mm,水资源承载力随之大幅度减小。生态环境子系统的利益比率在2010—2011年和2011年之后发生了大幅变化,2011年与2010年相比,COD排放量增加了107%、生态用水占比减少了71%,造成2011年生态环境子系统水资源承载力大幅度下降,2011年后云南省生态建设力度不断加大,生态环境子系统水资源承载力得以持续提高。经济社会子系统的水资源承载力呈现基本稳定状态,在人口密度缓慢增长、产业结构优化调整、城镇化进程加快的影响下,经济社会子系统的利益比率波动程度较小。

3.3 2018年云南省各市(州)水资源承载力

根据《云南省2018年国民经济和社会发展统计公报》和《2018年云南省环境状况公报》,云南省响应国家政策号召,在生态环境和社会经济等方面做出了巨大努力,使生态环境保持稳定,社会经济呈良好发展态势。对2018年云南省各市(州)水资源承载力进行评价,可及时发现漏洞、完善不足,以实现水资源可持续发展。

2018年云南省各市(州)水资源承载力评价结果见表5和图3。

表5 2018年云南省各市(州)水资源承载力评价结果

图3 2018年云南省各市(州)水资源承载力评价结果

由表5和图3可知,红河哈尼族彝族自治州(简称红河州)、普洱市、丽江市、玉溪市、大理白族自治州(简称大理州)综合水资源承载力位于前5位,综合水资源承载力评价值分别为0.057 5、0.101 9、0.113 3、0.207 6和0.281 5,文山壮族苗族自治州(简称文山州)、德宏傣族景颇族自治州(简称德宏州)、昆明市、楚雄彝族自治州(简称楚雄州)综合水资源承载力也处于较高水平。怒江傈僳族自治州(简称怒江州)、临沧市、昭通市和保山市综合水资源承载力位于后4位,综合水资源承载力评价值分别为0.634 5、0.814 4、0.908 1和0.918 2。

将原始数据结合表4、5数据和图3对各市(州)的各子系统水资源承载力进行分析可知,在水资源子系统中,西双版纳傣族自治州(简称西双版纳州)水资源丰富,但其水资源承载力仅为0.838 1,楚雄州、昭通市、曲靖市水资源相对匮乏,但楚雄州水资源再利用程度较高,其水资源承载力达0.307 3;在生态环境子系统中,丽江市、昆明市和玉溪市由于重视生态环境,其生态用水比例占6%以上、人均COD排放量少于15 kg,生态状况良好,其水资源承载力位于全省前3位,而其余市(州)生态用水量少于3%,人均COD排放量达到了75 kg以上;在经济社会子系统中,昭通市万元工业增加值用水量最高,达到83 m3,其水资源承载力评价值为0.812 9,与其他市(州)的水资源承载力差别较大,其他大部分市(州)的水资源承载力较好。

以云南省各市(州)综合水资源承载力平均值0.43为参照值,云南省56.3%的市(州)水资源承载力值在0.43以下(较好水平)。水资源子系统中,各市(州)人均水资源量差异很大,最高与最低相差35 684 m3;经济社会子系统中,昭通市万元工业增加值用水量达83 m3、人均GDP为28 168元、城镇化率为36.86%、人口密度为242.82人/km2,该4个指标值均处于不利水平,导致水资源承载力与其他市(州)差别很大,昆明市由于人口密度最大,达到317.64人/km2,城镇化率也最高,为72.85%,水资源承载力大于昭通市。

综合以上分析认为,云南省西双版纳州、保山市、临沧市和怒江州对水资源科学利用和再利用重视程度不够,曲靖市、保山市、普洱市、临沧市、楚雄州、红河州、文山州、西双版纳州、大理州、德宏州、怒江州和迪庆州对生态环境重视程度还需加强,昭通市水资源条件与产业结构不匹配。

4 讨 论

雷艳娇等[33]选用水资源、生态环境、经济社会3个子系统共11个指标构建了2013年云南省各市(州)水资源承载力评价指标体系,从空间分布上评价2013年云南省各市(州)水资源承载力,而本文分别从3个子系统中选取20个、12个指标分别构建云南省水资源承载力评价指标体系和2018年云南省各市(州)水资源承载力评价指标体系,水资源承载力评价指标更完善,并从时间系列和空间分布上分别评价了2004—2018年云南省水资源承载力和2018年云南省各市(州)水资源承载力。

马继敏等[15]对云南省水资源承载力的评价结果表明,2005—2018年云南省综合水资源承载力总体呈上升趋势,且有很大上升空间,不同子系统变化趋势和增长幅度差异较大,这与本文评价结果相一致。若以熵权法和CRITIC组合赋权法计算各评价指标权重,权重大小前4位依次为COD排放量、人口密度、生态用水比例、其他水源供水量占比,本文以平均差改进CRITIC法计算各评价指标权重,得到 2004—2018年云南省水资源承载力评价指标权重大小前4位分别为人口密度、化学需氧量排放量、废水排放总量、水资源开发利用率。可见以不同的方法计算评价指标权重所得结果有所差异。

5 结 论

(1)在前人研究基础上,针对云南省水资源综合开发利用程度,结合当地实际情况分别从水资源、生态环境、经济社会3个子系统中选取20个指标构建了2014—2018年云南省水资源承载力评价指标体系,又从20个指标中选取12个指标构建了2018年云南省各市(州)水资源承载力评价指标体系,采用CRITIC-VIKOR法评价了云南省水资源承载力,评价结果更符合实际情况。

(2)云南省综合水资源承载力评价值由2004年的0.562 5减小至2018年的0.500 0,水资源承载力增幅为11.1%,具有明显改善潜力。在研究时段内,水资源子系统和生态环境子系统的水资源承载力总体呈增大趋势,但两者变化存在差异;经济子系统水资源承载力虽有波动,但较其他子系统最为稳定且具有较大提升空间。云南省应合理利用和最大发挥水利设施功能,通过种植低耗水作物、雨季蓄水、旱季放水等措施,保障正常生产生活用水,解决干旱年用水问题。

(3)2018年云南省各市(州)中,红河州、普洱市、丽江市、玉溪市、大理州的综合水资源承载力位于前5位,综合水资源承载力评价值分别为0.057 5、0.101 9、0.113 3、0.207 6和0.281 5;怒江州、临沧市、昭通市和保山市的综合水资源承载力位于后4位,综合水资源承载力评价值分别为0.634 5、0.814 4、0.908 1和0.918 2。依据2018年云南省各市(州)水资源承载力评价结果,政府部门应采取适当措施和完善法律法规,使水资源开发利用维持较低水平;稳步优化产业结构,增加生态用水量;推行节水和再利用水资源技术,努力构建节水型城市;稳步加快城镇化进程;修建引输水工程解决水资源地域分配不均的问题;在发展经济中将生态环境保护放在首位,落实污水治理,提高水质,争取生态环境和社会经济最大化协调。